Hinweis

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Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen
des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren
Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das
eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die
Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen
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Staatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Bärbel Seitz
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Experimentalvortrag vom 4. 12. 85 zumThema
G 1 i e der u n g :
I Allgemeines zum Wasser
11 Wassersynthese- und Zersetzung und deren Bedeutung
111 Das Wassermolekül, und die aus seiner Struktur resultierenden
physikalischen und chemischen Eigenschaften
I Allgemeines:
Wasser ist sicherlich die wichtigste aller chemischen Substanzen.
71 %der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt. 97 %dieses
Wasservolumens ist Salzwasser.
Wasser ist Hauptbestandteil der Organismen. Es ermöglicht als
Lösungs- Transport-, und Quellungsmittel die zahlreichen
chemischen und physikalischen Zellreaktionen.
Der t.ensch besteht zu 60 bis 70 % aus Wasser, manche Pflanzen
sogar bis zu 95 %.
Wasser ist Grundn~~rungsmittel, es fungiert als Energieträger
und Wärmespeicher, und beeinflußt dadurch das Klima. Es kommt
in der Natur in allen drei Aggregatzuständen vor.
Bei der Photosynthese der Pflanzen fungiert das Wasser als
Elektronen- und Protonenspender.
Auch als wirtschaftlicher Fa~tor ist Wasser zu nennen (Schifffahrt, Kühlmittel, Reinigungsmittel, .... ).
11 Wassersynthese und Wasserzersetzung:
Wasser besteht aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff,
die im Verhältnis 2: 1 reagieren.
H2 + 1/2 O2 - 7 H;<O
-.o.H = 286 kJ
fuj;"liGU-R Wassersynthese aus den Elementen
Als H -Quelle verwendete ich den Kippsehen Gasentwickler, der
mit Zinkspänen und Schwefelsäure gefül I t ist.
Das Zink reduziert die Protonen der H2S0~
Zn + H~SO~~ ZnSO* + H1
Bevor ich den aus einer Pipette entweichenden
Wasserstoff entzünde führe ich eine Knallgasprobe durch. Dann führe ich die Wasserstofflamme in einen gekühlten sauerstoffgefüllten Rundkolben, wo sie unter starkem Aufleuchten weiterbrennt. Das gebildete ~asser
schlägt sich an der Ko lbenws-d nieder.
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H:L - GClS
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- 2 -
Wassernachweis:
/
Das gebildete Wasser weise ich mit einer Lösung von Stärke, KJ
und Jod in Petrolether nach. Bei Anwesenheit von Wasser kommt
es zu einer Blaufärbung der Lösung.
Grund: Die Windungen der Stärkehe1ix sind in organischen Lösungsmitteln zu klein um Jodmoleküle einzulagern. Hat sich
eine Hydrathülle ausgebildet, kommt es zur blau gefärbten
Jod-Stärke-Einschlußverbindung.
Geräte: Rundkolben mit Gummistopfen
Kristallisationsschale mit Kältemischung
Laborständer
Kippscher Gasentwickler
Sauerstoffbomb e
Plattenstativ
Klammer + Doppelmuffe
Chemikalien: Wasser
Wassernachweisreagens
N4t1iWblr4A
Wasserzersetzung (mit der Hoffmannsehen Zersetzungsapparatur)
Es wird eine 2N Schwefelsäure bei einer Gleichspannung von 1.8V
e lektrolys iert.
Die Mindestspannung die angelegt werden muß entspricht der
Potentialdifferenz der Elektroden dieser Zelle:
bei pH 7
EH /H 0+ = -0.42V
].
3
E = 1.24 V
(Zersetzungsspannung)
EOH-/O,- = +0.82V
Wegen der Überspannung von Wasserstoff und Sauerstoff ist jedoch
eine Spannung von über 1.8 V notwendig um H2 und O2 zu bilden.
Nach Pauling werden die H~O-Moleküle selbst zersetzt:
Kathodenreaktion: 4 H20 + 4 e) 2 H2. + 40HAnodenreaktion:
2 H~O
'l 0L + 4 H~ + 4 e-
°
02.
bei große.r OH--Konzentration: 4 OH---~ O2 + 2 H"20 +
bei großer H· -Konzentration: 4 H1- + 4 e
;> 2 H'l.
Geräte: Transformator
Hoffmannseher Zersetzer
2 El ektroden
2 Strippen
Stativ + Stange + 2 Doppelmuffen + 2 Klammern
Chemikalien: 2N H~SO~
2 H2
Wt-iCQMd
)0 2 H.1 +
4 e
Knallgasreaktion
Bei Versuch 2 sind H2 und 02. im Verhältnis 2:1 entstanden. Ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff in diesem Verhältnis wird
auch als Knallgas bezeichnet, da dieses am heftigsten reagiert
(explosionsartig).
Der im Versuch 2 gebildete Wasser- und Sauerstoff wird zusammengeluhrt und in e ine Schale mit Seifenlösung geleitet. Die sich
dort bildenden Seifenblasen werden mit einem Glimmspan entzündet (lauter Knall). Vorsicht!
Geräte: Porzellanschale mit Spülmittellösung
2 Schläuche
T-Stück mit Hahn
Pipette
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Bei Zimmertemperatur kommt es zu einer kaum merklichen Umsetzung
von H 1 und 02 zu H2 0 , da Wasserstoff eine hohe Dissoziationskonstante besitzt und sehr reaktionsträge ist. Führt man jedoch
die Aktivierungsenergie zu so kommt es bei der Knallgasreaktion
zu einer Kettenreaktion, bei der die freiwerdende Energie bei
der H40-Bildung die Aktivierungsenergie für die Reaktion der
Nachbarmoleküle zur Verrugung stellt.
Bei der Verbrennung von Wasserstoff in Sauerstoff und auch bei
der Knallgasreaktion geht die freiwerdende Energie in Form von
Wärme verloren. Daß diese Energie jedoch auch vom Menschen genutzt werden kann zeigt der folgende Versuch:
U4t·iit4Mn
Brennstoffzelle
Mit Palladium-Nickel-Elektroden und einer H~-O~-Zelle ist es
möglich die Knallgasreaktion gesteuert durchzuruhren und die
bei der Reaktion freiwerdende Energie in elektrische Energie zu
überruhren. Dies geschieht dadurch, daß die Reaktion in zwei
Teilschritte die Oxidation des Wasserstoffs und die Reduktion des
Sauerstoffs getrennt wird. Die Elektroden werden über einen
äußeren Stromkreis und den Elektrolyten KOH verbunden, und es
kommt zu einem Stromfluß.
Das Palladium fungiert als Katalysator. Es setzt die Aktivierungsenergie herab, da es den Wasserstoff in atomarer Form löst und
somit seine Reaktivität erhöht.
Anode:
2 H:z.--;>4 H+ + 4 eKathode: 02. + 4 e " ~ 2 0,2.0"'- + 2 H:l.0 + 4 e---? 4 OH
4 OH- + 4 H+
~ 4 H.l.0
Eine Spannung von 1.24 V, die der Potentialdifferenz entspricht,
ist nicht erreichbar, da hier der innere Widerstand, die
Elektrodenvorgänge, die Diffusionsvorgänge und die Temperatur
keine Optimalwerte einnehmen.
Geräte: Brennstoffzelle
2 Nickelelektroden mit Pd aktiviert
2 Krokodilklemmen
4 Strippen
1 Amperemeter
1 Stativ + Stange + Doppelmuffe + Klammer
kleiner Motor
O~ -Bombe
H, -Bombe
2 Gasleitungsschläuche
KOH als El ektrolyt
111 Das Wassermolekül und die aus seiner Struktur resultierenden
physikalischen und chemischen Eigenschaften
~'14tlit§"11
Ob erfläc henspannung
Auf Grund des Dipolcharakters des Wassermoleküls wirken Anziehungskräfte zwischen den Wassermolekülen
Wasserstoffbrückenbindungen.
Betrachtet man ein einzelnes Wassermolekül inmitten der Flüssigkeit, so wirden diese Anziehungskräfte von allen Seiten auf es ein,
so daß diese sich gegenseitig aufheben und das Molekül frei beweglich bleibt. Auf ein Molekül an der Wasseroberfläche wirken die
Kräfte nicht von allen Seiten und es bildet sich eine Resultante,
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- 4 -
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I
I
die senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche steht und nach innen
gerichtet ist.
Mittels Detergenzien kann man die Oberflächenspannung des Wassers
herabsetzen, da sich diese bev orzugt an der Grenzfläche Wasser/
Luft anlagern behindern sie gerade die Wechselwirkungen zwischen
den Oberflächenmolekülen.
.
Die Obeflächenspannung des Wassers kann man verdeutl~chen, wenn
man die Tropfgeschwindigkeit und auch die Tropfengröße von Wasser
und von Spülmittellösung vergleicht.
Geräte: Diaprojektor
2 Pipetten mit gleichem Auslassdurchmesser
desto H:t0
H:t0 + Spüli
2 Bechergläschen
d40Httq*.
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I
II
Zur Struktur und geringen Dichte des Eis
Beim Gefrieren erstarrt das Wasser zu einem Kristallgitter in dem
die Wassermoleküle folgendermaßen angeordnet sind:
. .
._ . .
.
"-C:""~r~
'1-J!]1::1
·~:=4·t·
,l:;rtlt!
.,.0
o
H"O
= 1.01 A
H····O
= 1. 74 A
• :: H
Jedes O-Atom ist tetraedrisch von 4 H-Atomen und somit auch mit
den 4 dazugehör igen O-Atomen umgeben. Zwei der vier H-Atome sind
kovalent und zwei durch Wasserstoffbrücken g ebunden.
Der O-O-Abstand ist mit 2.75 Ä kürzer als aus den Wirkungsradien
der 0- und H-Atome, die durch die Größe der Elektronenhülle
dieser Atome gegeben sind zu erwarten wäre. Di ese Verkürzung ist
ein Charakteristikum dalur, daß Bindung eingetreten ist.
Auf Grund seiner voluminösen Kristallstruktur beansprucht Eis
mehr Raum und besitzt eine geringere Dichte als flüssiges Wass er.
Dieses Phänomen kann man dadurch verdeutlichen, daß man eine
kleine Flasche Wasser in e in Kältebad legt. Beim Gefrieren des
Wassers platzt die Flasche.
Geräte: Plastikschüssel mit Trockeneis in Methanol
Glasfläschchen mit Schraubverschluß
~i4t1it4.
Bestimmung des Dichtemaximum von Wasser
Wasser weist bei 3.9SoC die maximale Dichte auf.
Wird die Kristallstruktur des Eises durch Wärmezufuhr langsam
zerstört so nimmt die Dichte zu, da freigewordene Wassermoleküle
sich in noch vorhandene hexagonale Kanäle lagern. Es kommt also
zu einem immer stärkeren Aufbrechen der Wasserstoffbrücken mit
stei gender Temperatur, womit eine Dichtezunahme einhergeht.
Dies ist bis zur Temperatur von 4°C zu beob achten. Dann jedoch
wird d ie Volumenabnahme durch den En tkr istallis ationsprozeß durch
die Vol umenzunahme infolge der erhöhten Moleku larbewegung
überko mpens iert.
Dieses Phänomen kann man folgendermaßen demonstrieren: Ein nu t
Wasser gefülltes Saugrohr wird mit einem Gummistopfen verschlosaurch
den der Meßstab eines Temperatur-Meßfühlers gestochen
Chemie insen
der Schule:
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ist. Bei dem Verschließen des Saugrohres wird Wasser in ein dünnes
o
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mit dem Saugrohr in Verbindung stehendes U-Rohr gedrückt. Der
Stand der Wassersäule wird optisch sichtbar gemacht, indem man
mit einem Tropfen rotgefärbtem Öl überschichtet. Nun wird das
Saugrohr in ein Dewargefäß mit Kältemischung gegeben. Wenn der
Gefrierprozeß beginnt kommt es zu einem starken Ansteigen der
Wassersäule. Nimmt man das Saugrohr aus der Kältemischung und
erwärmt es mit den Händen so kann man das Absinken der Wassersäule
verfolgen und die Temperatur beim Minimalstand (max. Dichte)
ablesen.
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~()Y\(;~ .. t4t'\~ olea
Wll'llZrdOlftollS
J.u,.c:.~ 3er~·~J,.h
o lSc.h: c.l,i
- Ll- Roh...
Geräte: Saugrohr
durchbohrter Gummistopfen
T-Meßgerät mit Digitalanzeige
dünnes Glasrohr zu U-Rohr gebogen
Verbindungsstück aus Gummi
Dewargefäß mit Kältemischung
Chemikalien: Wasser
Öl mit Sudanrot gefärbt
@;giit§;W:b
r·
Löslichke it von C02. in Wasser
Die im Wasser bei Zimmertemperatur vorliegenden Cluster sind
nichts anderes als Wasseraggregate mit der gleichen Struktur
wie sie im Eiskristall vorliegt. Bei höheren Temperaturen kommt
es zu schnelleren Umlagerungen und die Cluster bestehen aus
immer weniger Molekülen.
Die Hohlraumstrukturen der Cluster ermöglichen die Lösung von
Gasmolek ülen im Wasser.
Die Löslichkeit von C04 kann man folgendermaßen demonstri eren:
Ein Liter Wasser wird mit Hilfe einer Wasserstrahlpumpe gasfrei
gemacht. Es befindet sich in einem Dreihalskolben. Nun wird dem
Wasser etwas Indikator ( Br omthymolblau) zugesetzt und CO~ durch
den Gasraum über der Flüssigkeit geleitet, das gleichzeitig die
Luft dort verdrängt. Dann wird die Apparatur luftdicht verschlos
sen und der Hahn zu dem Kolbenprober geöffnet, der mit dem Dreihalskolben in Verbindung steht und ebenfalls mit CO t gefüllt ist.
Stellt man nun den Magnetrührer an, so löst sich das C04 im Wasser, was man auch an der Volumenabnahme im Kolbenprober erkennen
kann. Gleichzeitig kommt es zu einem Farbumschlag des Indikators,
welcher auf der folgenden Reaktion des C01 mit den Wassermolekülen beruht:
C0'l + H:t0 ~ t==J H1CO~
H1.CO) + H~O ~ HCO! + H30
Dazu ist jedoch zu sagen, daß der größte Teil des C04 rein
physikalisch im Wasser gelöst ist und nur 0.5 % als hydra tisierte
Kohlensäure vorliegt.
Da die Gasmoleküle in die Hohlräume der Wassercluster eingelagert werden, nimmt deren Löslichkeit mit zunehmender Wassert empe r a t ur ab, so wird beim Erhitzen wieder Gas freigesetzt.
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Geräte: 1 Kolbenprober mit Hahn
1 Dreihalskolben
1 Gummistopfen + Drei-Wege-Hahn
1 Glasstopfen
1 Ableitrohr + Schlauchstück
2 Federn
1 Magnetrührer + Rührfisch
Wasserstrahlpumpe
2 Stativstangen + Platten
4 Hakenmuffen
2 Doppelmuffen + Klammern
1 Bunsenbrenner
1 CO~-Bombe mit Ventil
1 Bo mb enhal ter
.i14ii!t§dl:D
Chemikalien:
Wasser
Bromthymolblau
Wasser als Lösungsmi ttel für Feststoffe
Der Dipolcharakter des H~O-Moleküls ist verantwortlich für das gute
Lösungsvermögen des Wassers für polare Stoffe.
Bebn Lösungsvorgang werden die. zwischen elektrisch geladenen
Partikeln (Ionen oder Dipole) wirkenden elektrostatischen Kräfte
stark reduziert; aus einem Gitter oder M:llekül abgespaltene Ionen
werden von den Wassennolekillen sofort urrhüllt (Hydratation), wobei
die ~ientierung der Wasserdipole davon abhängt, ob das betreffende Ion positiv oder negativ geladen ist.
Be i der Näherung von posi tiven und negativen Ionen zur Ausbildung
eines Kristallgitters wird ein bestllrumter Betrag an Energie frei
• (Gitterenergie) ; dieser Betrag muß auch wieder aufgewendet werden
um das Gitter zu zerstören.
Be i der Hydratation eines Ions wi rd Energie frei .(Hydratationsenergie) .
Ist die Hydratationsenergie größer als die Gitterenergie, so verläuft der Lösungsvorgang freiwillig und unter Freisetzung von Energie.
Ist die Hydratationsenergie geringer als die Gitterenergie, so verläuft der Lösungsvorgang nur bei Energiezufuhr; ist die Differenz
zwischen Gitter- und Hydratationsenergie nur gering, so kann die
fehlende Energie dem Lösungsmittel in Form von Wärme entzogen werden.
In dem Reaktionsgefäß eines Thermoskops werden
a) 0.1 mol (8g) NH,.NOJ
b) 0.1 mol (11g) CaC1 2
in 30 ml Wasser gelöst.
Be im Lösungsvorgang a korrnnt es zu einer Abkühlung im Reaktionsgefäß (Sinken des rechten Schenkels des Manometerrohres);
Gitterenergie Hydratationsenergie
Beim Lösungsvorgang b kommt es zur Erwärmung im Reaktionsgefäß (Anstieg des rechten Schenkels des Manometerrohres);
Gitterenergie { Hydratationsenergie
Geräte: Thermoskop
Chemikalien: NH..NOJ
2 Bechergläschen
CaCla
Wasser
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